岩土工程的多尺度试验-土工测试新技术——第25届全国土工测试学

岩土工程的多尺度试验

陈云敏１，２　陈仁朋１，２　詹良通１，２　黄　博１，２　孔令刚１，２

（１浙江大学岩土工程研究所，浙江杭州３１００２７；

２教育部软弱土与环境土工重点实验室，浙江杭州３１００２７）

摘要：理论分析、室内外试验和工程实践是岩土工程研究的三个方面。室内外试验对岩土工程实践和理论发展

起着重要作用。土的力学特性是其微观特性的一种宏观表现，多尺度试验在不同尺度上揭示土的特性，有利于全面深入地了解和验证土的工程性质。微观尺度试验用于认识土的微观结构，如ＣＴ、电镜、Ｘ衍射、ＴＤＲ等；单元体尺度试验用于认识土的应力—应变关系等土的基本力学特性，如压缩试验、渗透试验、三轴试验、扩散试验等；土工单体式大场地系统尺度试验主要用于认识土体的承载力、稳定和渗流及其与结构的相互作用，如模型试验、土工离心机和原位测试等。土体各尺度性质的关联可以通过解析理论和数值方法实现。岩土工程多尺度试验技术的发展必将极大地促进岩土工程理论和工程实践的发展。

关键词：岩土工程；多尺度；测试技术

１　前　言

土是由固体颗粒、孔隙流体和气体组成的三相体，其基本特性由于组分或状态不同而差异很大。土的各种物理力学性质与微观结构组成密切相关。各种宏观的物理力学性质都是其微观特性的一种表现。认识土的宏观特性首先必须对土的微观结构有深刻的了解。岩土工程问题的解决，必须考虑到土的各种基本特性及其之间的相互联系。例如深厚软土地基上高速公路建设，需要严格控制路堤填筑过中的稳定性以及工后沉降，涉及了土力学的三大基本特性，即压缩性、渗透性及碎散性。在解决稳定性及沉降时需要同时考虑这三种特性。稳定性控制主要与土体的抗剪强度有关。但是土体的固结快慢（渗透性）直接影响到了强度增长及地基沉降。沉降速率又与加载的速率有关，不同的加载速率，地基的稳定性显然不同。对工后沉降而言，主要取决于地基的压缩性及固结度，但是施工稳定性控制时安全系数取值，直接影响到了土体微观结构破坏程度，从而影响到了

工后沉降的大小。

图１岩土工程多尺度研究界定框架土的各种试验是揭示土基本特性的主要手段，土的试验可以分为三大类型：以认识土体微观结构为主的ＣＴ、电镜、Ｘ衍射、弯曲元、ＴＤＲ等；以认识土体单元体特性为主的压缩试验、渗透试验、三轴试验、扩散试验等，以认识土体沉降、稳定、渗流和结构与土相互作用为主的模型试验以及现场监测等。这四类试验在不同尺度揭示的是土的不同特性。土不同尺度的表现可通过解析理论和数值方法关联，其相互之间的关系见图１和图２。图１给出了土体微观结构、土单元体、土工单体和

?

３４?特邀及专题报告

大场地系统大致的研究尺度界定；图２详细给出了不同尺度试验所侧重研究的不同土体属性和所

采用的试验技术。

图２　三种尺度下土的反应及其试验

２　微观尺度测试技术

对土体微观特性的测试，主要包括Ｘ衍射仪、扫描电镜ＳＥＭ、Ｘ‐ＲａｙＣＴ、数字图像测量技术、光弹实验、ＴＤＲ技术等。

土的矿物成分可以通过Ｘ‐射线衍射法测试。Ｘ‐射线衍射法是根据光学中的干涉原理来研究土体结晶构造和矿物成分的，适用于单一矿物组成的土结构。当土中含有多种矿物时，其结果解释就有困难。粘土矿物成分对土体物理力学特性及工程性状的影响最大。粘土矿物的定向性对滑坡等分析有重要意义［１］。

２．１　扫描电镜技术

扫描电镜（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）是目前岩土材料微观结构研究中最普遍、最重要的

手段之一。罗雪［２］曾对萧山地区粘土掺入桐油和糯米汁前后的微观结构进行了分析，如图３所示，

可以明显地看到加入桐油等混合物后土颗粒表面形成了膜物质的胶结。

图３扫描电镜图像

２．２　土工ＣＴ分析技术

土工ＣＴ分析技术是以计算机为基础对被测体断层中某种特性进行定量描述的一种技术，其?４４?土工测试新技术———第２５届全国土工测试学术研讨会论文集

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